Исследовательская работа «Беспроводное электричество-технология будущего»

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Гимназия №1»

Исследовательская работа

«Беспроводное электричество-технология будущего»

Естественно-научный цикл

Работу выполнили:

Машков Александр Александрович

Солдатенков Максим Александрович

ученики 10 “А” класса

МОУ Гимназии №

Научный руководитель:

Фокина Елена Анатольевна

учитель физики

г. Железногорск

2017 г

Содержание

I Введение 3

1. Актуальность 3

2. Цель 3

3. Задачи 3

4. Методы 3

5. Гипотеза 3

II Основная часть 4

Глава 1.Что это такое? И кто это создал? 4

Глава 2. История открытия катушки Тесла 4

2.1 История создания 5

Глава 3. Выдающиеся изобретения и открытия Николы Тесла 8

3.1 Вращающееся магнитное поле 8

3.2 Двигатель переменного тока 8

3.3 Катушка Тесла 8

3.4 Радио 8

3.5 Дистанционное управление 8

3.6 Лазер 8

Глава 4. Изготовление катушки Тесла 9

4.1 Катушка Тесла 9

4.2 Изготовление корпуса 10

III Исследовательская часть 12

1. Катушка Тесла 12

2. Магия или Наука? 12

3. Данный результат не придел 13

4. Жизнь после смерти. Миф или реальность? 13 5.Фонарь будущего………………………………………………………13

IV Заключение 14

1. Выводы 14

2. Практическая значимость 14

Библиография 15

Приложения 16

I. Введение

1. Актуальность исследования

Экспериментальная физика имеет огромное значение в развитии науки. Однако, сам ток доходит к нам, увы, лишь по проводам. Это всё очень далеко от того, что Никола Тесла мог делать более 100 лет назад. Ещё в 1900-х годах Тесла мог передавать на огромные расстояния ток без проводов, получить ток 100 млн. ампер и напряжение 10 тыс. вольт. И поддерживать такие характеристики любое необходимое время. Современная физика достичь таких показателей просто не в состоянии. Современные учёные достигли лишь планки в 30 миллионов ампер (при взрыве электромагнитной бомбы), и 300 миллионов при термоядерной реакции - да и то, на доли секунды. Однако, в наше время, энтузиасты и учёные мира пытаются повторить опыты гениального учёного и найти им применение. Что мы и попытались сделать в данной работе.

2. Цель

Изготовить высокочастотную катушку Тесла и на основе собранной действующей установки провести эксперименты.

3. Задачи

Познакомиться с видами катушек типа Тесла.

Создать катушку из радиокомпонентов.

4. Методы

• Поиск и сбор информации

• Визуальное наблюдение

• Фотографирование

• Видеосъёмка

• Моделирование

• Статистическая обработка

Гипотеза

Вокруг катушки Тесла образуется электромагнитное поле огромной напряжённости, способное передавать электрический ток беспроводным способом.

II Основная часть

Глава 1. Что это такое? И кто это создал?

Никола Тесла — изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. Также он известен как сторонник существования эфира: известны многочисленные его опыты и эксперименты, целью которых было показать наличие эфира как особой формы материи, поддающейся использованию в технике.

Именем Н.Тесла названа единица измерения плотности магнитного потока. До 1882 года Тесла работал инженером-электриком в правительственной телеграфной компании в Будапеште. В феврале 1882 года Тесла придумал, как можно было бы использовать в электродвигателе явление, позже получившее название вращающегося магнитного поля. В свободное время Тесла работал над изготовлением модели асинхронного электродвигателя, а в 1883 году демонстрировал работу двигателя в мэрии Страсбурга. «Приложение №1»

Катушка Тесла – резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение высокой частоты. «Приложение №2»

Трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов. Для полноценной работы трансформатора эти два колебательных контура должны быть настроены на одну резонансную частоту. Обычно в процессе настройки подстраивают первичный контур под частоту вторичного путём подбора числа витков первичной обмотки до получения максимального напряжения на выходе трансформатора.

Как и любой источник высокого напряжения, трансформатор Тесла смертельно опасен. Однако существует и другое мнение, касающееся некоторых видов трансформаторов Тесла. Так как высокочастотное высокое напряжение имеет скин-эффект, то, несмотря на потенциал в миллионы вольт, разряд в тело человека не может вызвать остановку сердца или другие серьёзные повреждения организма, не совместимые с жизнью. В противоположность этому другие высоковольтные генераторы, например, высоковольтный умножитель телевизора и иные бытовые высоковольтные генераторы постоянного тока, имеющие несравненно меньшее выходное напряжение — порядка 25 кВ — могут являться смертельно опасными. Всё это происходит потому, что в вышеуказанных преобразователях используется частота в 50 герц, следовательно, скин-эффект отсутствует, и ток потечёт через органы человека. Несколько другая картина со статическим электричеством, которое может очень чувствительно ударить током при разряде (при прикосновении к металлу), но при этом не смертельно, так как статический заряд сравнительно небольшой и проходящий ток не успеет нанести вред человеку (заряд равен произведению тока и времени). Еще одна опасность, которая подстерегает при использовании трансформатора Тесла — это избыток озона в крови, который может повлечь за собой головные боли, так как при работе устройства производятся большие порции этого газа. «Приложение №3»

Глава 2. История создания катушки Тесла

2.1. История создания

В 1888—1895 годах Тесла занимался исследованиями магнитных полей и высоких частот в своей лаборатории. Эти годы были наиболее плодотворными: он получил множество патентов. И один из экспериментов Тесла направил на исследование возможности самостоятельного создания стоячей электромагнитной волны. На огромное основание трансформатора были намотаны витки первичной обмотки. Вторичная обмотка соединялась с 60-метровой мачтой и заканчивалась медным шаром метрового диаметра. При пропускании через первичную катушку переменного напряжения в несколько тысяч вольт во вторичной катушке возникал ток с напряжением в несколько миллионов вольт и частотой до 150 тысяч герц.

При проведении эксперимента были зафиксированы грозоподобные разряды, исходящие от металлического шара. Длина некоторых разрядов достигала почти 4,5 метров, а гром был слышен на расстоянии до 24 км.

На основании эксперимента Тесла сделал вывод о том, что устройство позволило ему генерировать стоячие волны, которые сферически распространялись от передатчика, а затем с возрастающей интенсивностью сходились в диаметрально противоположной точке земного шара, где-то около островов Амстердам и Сен-Поль в Индийском океане. Осенью 1899 года Тесла вернулся в Нью-Йорк.

В 60 км севернее Нью-Йорка на острове Лонг-Айленд Никола Тесла приобрёл участок земли, граничащий с владениями Чарльза Вардена. Участок площадью 0,8 км² находился на значительном удалении от поселений. Здесь Тесла планировал построить лабораторию и научный городок. По его заказу архитектором В. Гроу был разработан проект радиостанции — 47-метровой деревянной каркасной башни с медным полушарием наверху. Строительство башни завершилось в 1902 году.

Изготовление необходимого оборудования затянулось, поскольку финансировавший его промышленник Джон Пирпонт Морган разорвал контракт после того, как узнал, что вместо практических целей по развитию электрического освещения Тесла планирует заниматься исследованиями беспроводной передачи электричества.

Тесла вынужден был прекратить строительство и продать земельный участок. Башня оказалась заброшенной и простояла до 1917 года, когда федеральные власти заподозрили, что немецкие шпионы используют её в своих целях. Недостроенный проект Тесла взорвали.

«Приложение №4»

Глава 3. Выдающиеся изобретения и открытия Николы Тесла

3.1 Вращающееся магнитное поле (1882 год): первое своё большое открытие Тесла сделал находясь на родине в Хорватии (он был этническим сербом). Произошло это после того, как профессор Яков Пешлем прочитал ему курс лекций о невозможности применения переменного тока в работе электрических двигателей. Тесла был уверен, что это не так, и после двух лет проведения экспериментов, решение пришло к нему как молния: вращающееся магнитное поле, которое позволит переменного току использоваться в двигателях без преобразования в постоянный ток. «Приложение №5»
3.2 Двигатель переменного тока (1883 год): Тесла в это время имеет большие планы на двигатель переменного тока, но пока ещё не может построить его физическую модель. Переменный ток создаётся магнитными полюсами, что не может происходить без механической помощи. Для выработки тока требуется вращающаяся часть - ротор, который будет вращаться внутри статора двигателя. Поняв это, в 1883 году Тесла создаёт первый прототип двигателя. В дальнейшем это открытие будет так же использоваться в генераторах переменного тока.

«Приложение №6»

3.3 Катушка Тесла (1890 год): электрическая катушка, названная по имени изобретателя, является одним из самых зрелищных изобретений Тесла. Впервые он продемонстрировал это открытие в лаборатории Нью-Йорка. Через катушку пропускается многофазный переменный ток (который так же был открыт этим учёным) - при этом трансформатор способен производить очень высокое напряжение. Самым впечатляющим во всём этом были сверкающие искры и треск электрического огня, всё это производило на неискушённого обывателя неизгладимое впечатление. Эти катушки и сегодня используются в основном для развлечения. «Приложение №7»

3.4 Радио (1897 год): В существующий спор о том, кто изобрёл радио, можно добавить и Николу Тесла. Свой первый беспроводный сигнал он послал в 1897 году из своей лаборатории на Хьюстон-стрит в Нью-Йорке, сигнал был отправлен на лодку, идущую по реке Гудзон - 40 км. Тесла сделал бы это и раньше, но случился пожар, который в 1895 году уничтожил его предыдущую лабораторию. Тесла изобрел все то, что мы связываем с радио - антенны, тюнеры и т.п. - но фактический патент на это открытие получил изобретатель по имени Гульельмо Маркони. В 1943 году Верховный суд США постановил, что у патента Тесла имеется преимущество, но в настоящее время в мире отцом радио считается Маркони, а в России - Попов. «Приложение №8»

3.5 Дистанционное управление (1898 год): Это изобретение было естественным продолжением открытия радио. Патент номер 613809 был выдан первой в мире дистанционно управляемой лодке, продемонстрированной в 1898 году. Благодаря использованию нескольких крупных батарей и переключателей, которыми можно было оперировать по радио, оператор мог управлять винтом и рулем лодки. «Приложение №9»

3.6 Лазер: Это изобретение Тесла является лучшим примером того, как добро и зло сплетаются в уме одного человека. Лазеры произвели революцию в хирургических операциях и дали начало большой части наших современных цифровых медиа. 16 самых изобретений Николы Тесла. Однако, с этим скачком в инновациях, мы также попали и в исконные земли научной фантастики. От рейгановской лазерной оборонной программы «Звездных войн» до современных видов оруэлловского «не смертельного оружия», которые включают в себя лазерные винтовки и направленные «лучи смерти». «Приложение №10»

Глава 4. Изготовление катушки Тесла

4.1 Катушка Тесла

• Каждый радиолюбитель хочет и может собрать своими руками катушку тесла, которую можно было использовать для проведения различных экспериментов.

Технология изготовления:

• 1.Изучение радиотехнической литературы

• 2.Подборка необходимых материалов и деталей

• 3 .Разработка печатной платы

• 4 .Изготовление печатной платы

• 5.Сборка устройства

Описание устройства

В первичной катушке применяются электрические волны высокой интенсивности, разряжая соответствующий конденсор, первоначально заряженный до напряжения несколько киловольт. Процедура осуществляется посредством устройства искрового промежутка, как представлено в диаграмме. Искровой промежуток настроен так, чтобы стрелять, как только напряжение между конденсорными терминалами достигает определенной величины.
Когда искровой промежуток находится в проводящем состоянии, конденсор и первичная катушка связаны последовательно, таким образом, формируя RLC цепь, в которой произведены электрические колебания определенной частоты. Во вторичной катушке, которая также формирует другую RLC цепь, также производятся электрические колебания из-за индукции напряжения. Частоты колебания обоих цепей определены их структурными параметрами.
Для надлежащего действия трансформатора две RLC цепи (первичная и вторичная) должны быть в резонансе, то есть их частоты колебаний должны совпасть. Когда это случается, амплитуда колебания во вторичной катушке умножается, и трансформатор производит высокое напряжение на выходе.

Внешний вид катушки. «Приложение №11»

Принципиальная схема. «Приложение №12»

Печатная плата. «Приложение №13»

4.2 Изготовление корпуса

Технология изготовления:

• 1.Изучение физической литературы

• 2.Подборка необходимых материалов

• 3 .Разработка чертежа

• 4 .Изготовление корпуса

• 5.Установка устройства в корпус

• 5.1 Наладка устройства

• 5.2 Испытание устройства

Чертёж. «Приложение №14»

III. Исследовательская часть

1. Катушка Тесла.

Инструменты, используемые при сборке устройства. «Приложение №15»

Материалы, используемые при изготовлении схемы. «Приложение №16»

Детали, используемые при изготовлении. «Приложение №17»

Этапы изготовления печатной платы катушки. «Приложение №18»

Для создания катушки Тесла понадобились данные материалы: ПВХ труба диаметром 25мм и длиной 90мм, коробка из ПВХ пластика, горячий клей.

Плюсы и минусы изделий.

Плюсы:

1. Удобны в транспортировке и работе

2. Дешёвые

Минусы:

Не выявлены

Смета. «Приложение №19»

Фото с прибором «Приложение №20»

2. Магия или наука?

Для проведения данного эксперимента нам понадобились: люминесцентные лампочки нескольких видов.

В первом эксперименте мы проверяли работоспособность нашей катушки Тесла. Мы вносили в поле катушки люминесцентные лапочки разной формы и размеров. При внесении лампочек в поле катушки они начинали светиться. За счёт высокого напряжения высокой частоты газ, находящийся в лампочке, излучал свет. «Приложение №21»

Вывод: в результате эксперимента мы убедились, что беспроводное электричество существует.

3. Данный результат - не предел.

Для проведения данного эксперимента нам понадобились: люминесцентные лампочки нескольких видов, пищевая фольга, пинпонговый шарик.

Во втором эксперименте мы попытались увеличить мощность нашей катушки Тесла. Мы взяли пинпонговый шарик и обвернули его пищевой фольгой. С помощью скотча закрепили его на катушке. При внесении лампочек в поле катушки они начинали светиться ярче, чем прежде. А так же светилось несколько лампочек одновременно. «Приложение №22»

Вывод: в результате эксперимента мы увеличили мощность нашей катушки.

4. Жизнь после смерти. Миф или реальность?

Для проведения данного эксперимента нам понадобились: две настольные лампы, люминесцентные лампочки рабочие и сгоревшие.

В третьем эксперименте мы проверяли работоспособность сгоревших люминесцентных лампочек на нашей катушке Тесла. Мы вносили в поле катушки сначала рабочие, а потом сгоревшие. «Приложение №23»

Вывод: в результате эксперимента мы убедились, что сгоревшие люминесцентные лампочки можно использовать после их перегорания.

5. Фонарь будущего.

Для проведения данного эксперимента нам понадобились: динамо- машинка из прибора для прозвонки высоковольтных линий, люминесцентные лампочки рабочие и сгоревшие.

В четвёртом эксперименте мы дали вторую жизнь сгоревшим люминесцентным лампочкам. «Приложение №24»

Вывод: в результате эксперимента мы убедились, что сгоревшие люминесцентные лампочки можно использовать в других приборах после их выхода из строя.

Опрос

Мы решили провести тестирование учеников нашей школы на знание сведений об электромагнитах. Ученикам было задано несколько вопросов:

В каком году был изобретена катушка Тесла?

Что есть в устройстве катушки?

Кто изобрёл катушку Тесла?

Правильные ответы на вопросы:

В каком году был изобретена катушка Тесла? (1895г.);

Что есть в устройстве катушки? (Катушка);

Кто изобрёл катушку Тесла? (Никола Тесла).

Ответы учеников приведены в диаграммах «Приложение №25»

IV. Заключение

1. Выводы:

В результате исследований наша гипотеза подтвердилась: вокруг катушки Тесла образуется электромагнитное поле огромной напряжённости, способное передавать электрический ток беспроводным способом.

Катушка Тесла, является простым в изготовлении и настройке прибором, предложенная нами конструкция, является недорогой. Проверка вредного воздействия на организм человека показала, что устройство является безопасным для использования в учебных целях при соблюдении правил техники безопасности работы с катушкой. С помощью катушки Тесла можно продемонстрировать множество красивых и эффективных экспериментов.

Мы убедились, что физика - наука экспериментальная. Мы научились проводить наблюдения, выдвигать гипотезы, проводить эксперименты. Научились использовать катушку Тесла.

2. Практическая значимость

Результат нашей работы носит просветительный характер, это позволит, повысить заинтересованность учеников к углубленному изучению таких предметов, как физика, юных исследователей к исследовательской деятельности, и возможно для кого-то определит область дальнейшей деятельности. «Приложение № 26»

Библиография

1. Парселл Э., Берклеевский курс физики. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1983.

2. Калашников С.Г.. Электричество. - М.: Наука, 2005

3. Физика. 9 класс. Пёрышкин А.В., М.: 2013

4. Трофимова Т.И. Краткий курс физики. - М.: Высшая школа, 2000.

5. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики, т.т. 1-2. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000

6. ru.wikipedia.org

7. http://energ2010.ru

Приложение

«Приложение №1»

«Приложение №2»

«Приложение №3»

«Приложение №4»

«Приложение №5»

«Приложение №6»

«Приложение №7»

«Приложение №8»

«Приложение №9»

«Приложение №10»

«Приложение №11»

«Приложение №12»

«Приложение №13»

«Приложение №14»

«Приложение №15»

«Приложение №16»

«Приложение №17»

«Приложение №18»

«Приложение №19»

«Приложение №20»

«Приложение №21»

«Приложение №22»

«Приложение №23»

«Приложение №24»

«Приложение №25»

«Приложение №26»